2. Описание работы мостового выпрямителя

Рис. 1. Схема мостового выпрямителя.

Принцип действия выпрямителя рассмотрим, приняв нагрузку выпрямителя чисто активной – R1 с сопротивлением 100 Ом (см. рис. 1). В схеме э.д.с. вторичной обмотки трансформатора заменена э.д.с. источника синусоидального напряжения V1, имеющего следующие основные свойства: постоянная составляющая напряжения – VOFF=0V; амплитуда напряжения -VAMPL=18V; частота синусоидального напряжения – FREQ=50 Hz. Остальные свойства источника V1 зададим равными 0: AC = 0 V, TD = 0 s, DF = 0, PHASE = 0. Выпрямленное напряжение на нагрузке (на R1) имеет вид однополярных полуволн. Это получается в результате поочередного отпирания пар диодов D2, D3 и D1, D4. Диоды D2, D3 открыты на интервале [0,π] при полуволне напряжения источника V1 положительной полярности. При этом ток протекает от вывода +V1 через D2, R1, D3 к выводу – V1, создавая на R1 напряжение той же полярности, что и напряжение источника.

При наличии полуволны напряжения источника V1 отрицательной полярности (интервал [π-2π]) открываются диоды D1, D4, подключающие это напряжение к R1 с той же полярностью, что и на предыдущем интервале. Ток протекает от вывода – V1 через D4, R1, D1 к выводу + V1.

Диоды D1-D4 имеют тип D1N4148, хранятся в библиотеке EDIODE и имеют следующие основные параметры: максимальный прямой ток IF = 100 mA; максимальное обратное напряжение VR = 100 V. В этой схеме максимальное обратное напряжение на каждом диоде равно амплитуде напряжения источника V1.

Обычно на выходе выпрямителя включается фильтр, ослабляющий переменную составляющую выходного напряжения выпрямителя. Характер входной цепи фильтра совместно с нагрузкой R1 определяет вид нагрузки выпрямителя. На рис. 2 приведена схема мостового выпрямителя с LC-фильтром.

Рис. 2. Схема мостового выпрямителя с LC-фильтром.

Включение LC-фильтра (часто называемого Г-образным фильтром) изменяет режим работы выпрямителя. При этом происходит ‘сглаживание’ напряжения на нагрузке, за счет большого сопротивления индуктивности L1 переменному току и процессов заряда и разряда конденсатора С1.

3. Описание источника стабилизированного напряжения

В маломощных источниках постоянного напряжения к выходу фильтра подключается стабилизатор напряжения. На рис. 3 приведена схема маломощного источника стабилизированного напряжения, которое содержит: линейный понижающий трансформатор TX1, мостовую схему выпрямителя (собранную на диодах D1-D4), емкостной фильтр (конденсатор С1) и стандартный стабилизатор напряжения U1, к выходу которого подключена нагрузка R1.

Напряжение сети с амплитудой 311 В задается источником синусоидального напряжения V1, имеющего следующие основные свойства: постоянная составляющая напряжения – VOFF = 0 V; амплитуда напряжения –VAMPL = 311 V; частота синусоидального напряжения – FREQ=50 Hz. Остальные свойства источника V1 зададим равными 0: AC = 0 V, TD = 0 s, DF = 0, PHASE = 0.

Рис. 3. Схема маломощного источника стабилизированного напряжения.

Линейный трансформатор TX1 является понижающим, имеет имя XFRM_LINEAR и хранится в библиотеке ANALOG. Коэффициент трансформации этого трансформатора определяется известным выражением:

К_тр

где – число витков первичной обмотки трансформатора;

– число витков вторичной обмотки трансформатора;

– амплитуда синусоидального напряжения первичной обмотки;

– амплитуда синусоидального напряжения вторичной обмотки.

Квадрат коэффициента трансформации определяется отношением:

К_тр²

где – индуктивность первичной обмотки;

– индуктивность вторичной обмотки;

Для получения стабилизированного напряжения 15 В, примем с запасом тогда:

Приняв , вычислим :

Резистор R3 c сопротивление 1 Ом включен для учета активного сопротивления первичной обмотки трансформатора, а резистор R2 с большим сопротивлением 200 МОм – для гальванической связи между обмотками трансформатора.

Выпрямитель собран по мостовой схеме на мощных диодах BYT12P-600. Этот тип диода хранится в библиотеке DIODE и имеет следующие основные параметры: максимальный прямой ток IF = 12 А, максимальное обратное напряжение VR = 600 В, максимальная рассеиваемая мощность PDM = 25 Вт.

Стабилизатор LM7815 предназначен для получения стабилизированного напряжения в 15 В, хранится в библиотеке OPAMP и имеет следующие основные параметры: максимальное входное напряжение VINMAX=35 В, напряжение стабилизации Output Voltage =15 В.

Для обычного режима стабилизации на входе и выходе стабилизатора LM7815C включены два конденсатора C2, C3 с рекомендуемыми емкостями 0,33 мкФ и 0,1 мкФ соответственно.

Задание 1. Проведите анализ работы мостового выпрямителя (см. рис.1). Для этого создайте папку с именем Lab_rab4, имеющую путь доступа C:\Ivanov\Lab_rab4. Соблюдая изложенное в п. 1 лабораторной работы № 1, создайте проект и дайте ему имя Zadanie1.

Начертите схему, приведенную на рис. 1 и задайте свойства компонентам этой схемы, приведенные в п. 2.

Создайте профиль моделирования с именем «SCHEMATIC1-transient», установив его параметры:

– в поле Run to time введите верхнюю границу интервала времени анализа переходных процессов 0,1 s;

– в поле Start saving data after – 0 s;

– в поле Maximum step size – 0,001 s.

Запустите процесс моделирования и после его окончания в окне модуля Probe отобразите последовательно три диаграммы:

– напряжения на нагрузке – V(R1:1);

– ток в нагрузке – I(R1);

– мощности, рассеиваемой на нагрузке – W(R1).

Активизируйте курсор, щелкнув по кнопке – Toggle cursor (Включить / выключить курсор). Определите амплитуды V(R1:1), I(R1) и W(R1). Зафиксируйте их в отчете. Занесите в отчет диаграмму V(R1:1).

Получите диаграммы среднего и действующего значений выпрямленного напряжения V(R1:1). В модуле Probe определенны две стандартные функции: AVG(V(R1:1)) – функция для вычисления среднего значения напряжения и RMS (V(R1:1)) – функция для вычисления действующего значения. Получите диаграмму среднего значения V(R1:1). Для этого щелчком по: <Trace>→ <Add Trace> откройте окно ‘Add Traces’ и в строку Trace Expression введите выражение AVG(V(R1:1)). Заметим, что строка Trace Expression ведет себя как обычный текстовый редактор, курсор которого можно перемещать и устанавливать с клавиатуры в любое место по вашему желанию, а также редактировать введенный текст. Поэтому ввести выражение AVG(V(R1:1)) можно в следующей последовательности:

– щёлкните по имени стандартной функции AVG(), отправив его в строку Trace Expression;

– в строке Trace Expression поместите курсор между скобками этой функции и щёлкните по имени V(R1:1).

Щёлкнув по кнопке OK, посмотрите как выглядит диаграмма среднего значения напряжения.

Аналогично получите диаграмму действующего значения напряжения RMS (V(R1:1)) и занесите её в отчет.

Задание 2. Проведите анализ работы мостового выпрямителя с LC-фильтром (см. рис.2).

Для этого по аналогии с заданием 1:

– создайте проект с именем Zadanie2;

– начертите схему, приведенную на рис. 2, и задайте нужные свойства компонентам схемы;

– создайте профиль моделирования с именем «SCHEMATIC1-transient», с параметрами настройки (приведенными в задании 1);

– запустите процесс моделирования и после его окончания в окне модуля Probe отобразите последовательно четыре диаграммы:

– напряжения источника – V(V1:+) – V(V1:-);

– напряжения на нагрузке – V(R1:1);

– ток в нагрузке – I(R1);

– мощности рассеиваемой на нагрузке -W(R1).

Активизируйте курсор, щелкнув по кнопке – Toggle cursor (Включить / выключить курсор). Определите максимальные значения V(R1:1), I(R1) и W(R1). Зафиксируйте их в отчете. Четыре полученные диаграммы, для наглядности, приведены на рис. 4. Получите и занесите в отчет три диаграммы I(R1), AVG(I(R1)) и RMS(I(R1)).

Задание 3. Проведите анализ работы источника стабилизированного напряжения (см. рис. 3).

Для этого:

– создайте проект с именем Zadanie3;

– начертите схему приведенную на рис. 3 (зная, что компонент LM7815C хранится в библиотеке OPAMP). Свойства трансформатора задайте в следующей последовательности: дважды щелкните левой кнопкой ‘мыши’ по символу TX1. В появившемся окне ‘Property Editor’ введите значение 10 mH в столбец L1_VALUE, а столбец L2_VALUE – 0.0335 mH, затем закройте это окно. Свойства остальных компонентов схемы задайте обычным способом:

– создайте профиль моделирования с именем «SCHEMATIC1-transient», с параметрами настройки (приведенными в задании 1);

– запустите процесс моделирования и после его окончания в окне модуля Probe отобразите последовательно две диаграммы напряжений: V(R1:1), V(C1:1) и диаграмму мощности на нагрузке W(R1). Занесите в отчет три полученные диаграммы.